刘 欢，李和平，徐江荣，刘建忠

(1.杭州电子科技大学能源研究所，浙江 杭州 310018； 2.浙江大学能源清洁利用国家重点实验室，浙江 杭州 310027)

含硼推进剂的点火燃烧及推进性能研究

刘 欢1，李和平2，徐江荣1，刘建忠2

(1.杭州电子科技大学能源研究所，浙江 杭州 310018； 2.浙江大学能源清洁利用国家重点实验室，浙江 杭州 310027)

搭建了激光点火实验台，设计不同尺寸和结构的微小燃烧室用以研究含硼推进剂在微小燃烧室中的点火燃烧特性及推进性能.实验结果表明：大管径有利于点火且利于燃烧充分，但是燃烧速度较慢，而小管径有利于提高推进性能；喷嘴管的燃烧速度稍微大于直管，但是直管的点火性能最优且燃烧强度大，而突变管的推进性能最优.

含硼推进剂；激光点火；燃速；推力；冲量

0 引 言

微型卫星体积小、质量轻、转动惯量小，轨道变更与姿态控制所需推力小，并且要求精度高，目前基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技术的微推进方式主要有液体蒸发式、等离子式、冷气式和固体化学式等[1].这些新型微化学推进器具有微型化、低成本和批量生产的优点，并考虑了体积、空间的限制，能产生10-6～10 N的推力脉冲，可用于微型卫星和纳米卫星的姿态调整、变轨和定向的精确控制[2].基于MEMS集成技术的固体微推进器体积更小，结构更简单，且没有液态和气态推进剂的泄露、高压储存和技术复杂性、污染等问题.所以固体化学微推进器在微飞行器整合和小型化高层次的应用中得到了广泛的推广[3].

硼的单位体积热值和质量热值都很高，而且燃烧产物较为清洁，分散性好，可显著减少二相流损失，提高喷射效率，使硼富燃料推进剂成为固体火箭冲压发动机的理想燃料[4].高氯酸氨(AP)作为强氧化剂，受热分解将产生大量氧气，经常用来作为推进剂的氧化剂.本文选取硼和AP，按照一定质量比制成混合物，制作不同尺寸和结构的燃烧室，搭建激光点火试验台，通过检测点火燃烧过程中的燃烧速度、点火延迟时间、推力、冲量等各项参数，研究分析了含硼推进剂的点火燃烧特性及推进性能.

1 实验方法

1.1 实验装置

实验系统由燃烧器部分、点火部分、检测部分构成.燃烧器部分由燃烧室和推进剂组成，燃烧室是由石英玻璃制作而成的不同尺寸和结构的微细圆管，内部装填含硼推进剂.实验采用激光点火方式，由最大功率为450 W的CO2激光发生器发射激光来加热点燃推进剂.激光发生器通过调节发射功率和时间来控制点火能.本实验设置点火功率为90 W，点火时间为1 s.检测部分主要由高速摄像机、光纤光谱仪、压力传感器组成.高速摄像机记录整个燃烧过程的火焰形貌，其拍摄频率为200 Hz,分辨率2 240×863，最大拍摄张数为2 000张.光纤光谱仪用以检测燃烧产物的光谱变化过程，具有外部触发功能，与激光发生器同步开启，通过观测特征光谱产生的时刻，计算点火延迟时间，其检测频率为125 Hz.各检测设备与计算机连接，通过各自配套软件在计算机上显示检测数据.激光点火实验台如图1所示.

图1 激光点火实验台示意图

1.2 样品配制

推进剂由燃料和氧化剂组成.燃料选用无定形硼(B)，粒径5 μm，纯度95%，为棕色粉末；氧化剂选用高氯酸氨(AP)，纯度99%，为白色晶体.本实验选用B和AP的质量比为40∶60.实验采用分段压装法装填推进剂，装药过程中尽可能保证各燃烧室的装药长度一致，装药密度误差控制在5%以下，以此来减小装药密度变化对燃烧过程的影响.

燃烧室材料选用石英玻璃管，耐高温，且便于观测.燃烧室圆管壁厚均为1 mm，内部装填长度为30 mm的推进剂样品.燃烧室结构设计有3种：1)内径分别为3 mm,4 mm,5 mm,6 mm的直管；2)内径分别为3 mm,4 mm,5 mm,6 mm的渐缩渐扩喷嘴管.渐缩段和渐扩段长度为10 mm，吼部直径为2 mm，简称渐变管；3)内径分别为3 mm,4 mm,5 mm,6 mm的突变喷嘴管.突变段长度为10 mm，吼部直径为2 mm，简称突变管.内径分别为4 mm的燃烧室结构如图2所示.每种样品均配制3份，进行重复实验.各项检测数据均取3次实验数据的平均值.

图2 内径为4 mm时，3种燃烧室结构示意图

1.3 测试方法

1.3.1 燃烧速度

燃烧速度用燃面的移动速度来表征.由于高速摄像机记录了整个燃烧过程，通过记录的图像计算得到样品的平均燃烧速度，简称燃速.燃速公计算式为：

V=L/(St)

(1)

其中，V为燃速，L为药柱长度，S为显示燃烧开始到燃烧结束的照片张数，t为一张照片的拍摄时间，为0.005s.

1.3.2 光谱数据分析

含硼燃料燃烧过程中，光谱仪通常在波长为452nm，471nm，493nm，518nm，545nm，580nm，603nm，620nm和639nm处检测到BO2光谱信号，此特征峰就是五指峰[5].由于光纤光谱仪与激光发生器同步联动触发，因此通过检测五指峰的出现和消失来计算推进剂的点火延迟时间和燃烧时间.本文定义激光点火开始到出现五指峰的时间为点火延迟时间.

1.3.3 推 力

采用高精度压力传感器及配套的数据采集卡测量推进剂燃烧过程中推力随时间变化的过程.实验前在压力传感器量程范围内采用6组数据对压力传感器进行标定，通过线性拟合得到传感器输出数据与实际压力之间的关系为：

F=0.124 1f-0.071 2

(2)

其中，F为实际压力(单位为N)，f为传感器输出数据值.为补偿修正测量值，在计算实际推力值时，假设在整个燃烧过程中推进剂的质量变化成线性，即假设推进剂的质量随时间均匀变化.这样，任一时刻的测量压力值减去推进器和推进剂重量产生的压力值就是燃烧产生的实际推力值.筛选出所有推力数据中的最大值即为整个燃烧过程产生的最大推力.将所有推力值求平均值得到整个燃烧过程中的平均推力.

2 实验结果与分析

2.1 点火燃烧特性分析

2.1.1 燃烧速度

图3 燃烧速度随内径变化的曲线图

不同尺寸、结构燃烧室内推进剂的平均燃烧速度变化如图3所示.由图3可以看出，3种燃烧器结构燃速随管径的变化规律相似，都是随着管径的增大，燃烧减小.因为B/AP在常压下的燃烧产物中含有大量的固体颗粒，在微细圆管中，由于管壁的表面力、粘性力、摩擦力等微通道效应的影响，使固体颗粒的流动受阻而滞留在管中，对产物中的气流形成阻塞，导致圆管中压强升高[6].随着燃烧的进行，燃气不断积聚，压强不断升高.参照维耶里定律

u=αpn,0

(3)

其中，u为燃速，α为燃速系数，p为压强，n为压强指数.可以看出压强越大，燃速越大.同时，内径越小，滞留在管内的固态和气态产物越多，更多的热量传递给未燃推进剂，预热温度升高[7]，因此燃烧速度越大.另外，内径增大时，燃烧端面的面积增大，同时燃烧器内推进剂含量增加，预热未燃推进剂所需时间增加，从而燃烧完相同长度的药剂的时间增加，燃速减小.

由图3还可以看出，当内径相同时，不同结构燃烧室内推进剂燃速虽然有大有小，但相对变化较小，最大值和最小值之间变化量不超过6%，故可以认为，内径相同时，不同结构燃烧器内推进剂燃速相同，说明燃烧室结构对推进剂的燃烧速度的影响不大.

2.1.2 点火延迟时间

不同尺寸、结构燃烧室内推进剂的点火延迟时间变化如图4所示.

图4 点火延迟时间随内径变化的曲线图

由图4可以看出，随着内径的增大，3种结构燃烧室内推进剂的点火延迟时间均减小.说明燃烧室内径越小，需要的点火能也就越高.因为管径越小，比表面积越大，散热损失越大，点燃推进剂所需热量增加，故需要更大的点火能.另外，内径增加时，燃烧器内推进剂含量增加，而AP的增加使其受热分解产生的氧气增加，有助于B的着火，从而缩短点火延迟时间.

当内径相同时，直管的点火延迟时间最小.大内径时，渐管和突变管的点火延迟时间相当，且大于直管的点火延迟时间；当内径变小时，渐变管的点火延迟时间明显大于直管和渐变管，说明3种燃烧室结构中渐变管结构不利于点火.

2.2 推进性能分析

2.2.1 最大推力

图5 最大推力随内径变化的曲线图

不同尺寸、结构燃烧室中推进剂燃烧产生的最大推力如图5所示.由图5可以看出，在燃烧室结构一样的情况下，推进剂产生的最大推力随燃烧室内径的增大而减小.这是因为在燃烧室内径较小时，燃烧产生的大量固体颗粒，受管壁的表面力、粘性力、摩擦力等微通道效应的影响，流动受阻而滞留在管中，对产物中的气流形成阻塞，导致圆管中压强升高[6]，使气体产物喷出时产生的推力增大.同时内径较小时燃速较快，大量的气体产物快速产生并不断喷出，使推力增大.当内径变化到6 mm时，3种结构燃烧室内推进剂的最大推力都有较大幅度的减少，其中最小的是直管，推力值只有0.021 N.说明推进剂在6 mm内径的圆管内燃烧比较充分，未燃烧的固体颗粒较少，气体产物能顺利喷出，同时燃烧速度较小，产生的推力较小.

对比3种不同结构的燃烧室，当内径在3 mm～5 mm范围内时，相同内径下的最大推力变化不大.说明在此内径范围时，燃烧室结构对最大推力影响不大.但是内径为6 mm时，渐变管最大推力值略大于直管，而突变管的最大推力最大，推力值约是直管和渐变管的2.2倍.说明在内径6 mm时，突变喷嘴结构能显著提高最大推力.

渐变管喷嘴结构为渐缩渐扩式，即超音速喷嘴结构[8]，燃烧产生的高温气流在到达吼径处时因流体横截面积逐渐减小而压强逐渐增加，速度达到音速，经过吼径处由渐扩段喷出时，压力开始迅速减小，气流速度进一步增大并超过音速，产生较大推力.突变管可以看成是特殊形式的渐变管(即没有渐缩短段而渐扩段角度为零的渐变管)，由于没有渐缩段，燃烧产生的高温气流在到达吼径处时因流体横截面积突然减小而压强突然增加，然后气流继续通过与吼径横截面积相同的的喷射段，压强进一步增加，从而产生更大推力.由文献[8]可知，燃烧产物气流速度要达到超音速并增大推力，必须满足一定的条件，即气流必须先收敛并且喷嘴具有适当渐缩渐扩段长度和角度.内径在3 mm～5 mm范围内时，燃烧室内径和吼径相比变化较小，渐缩渐扩段的角度较小，使超音速喷嘴管条件达不到，故此范围内喷嘴结构对推力的增大作用不明显.而内径为6 mm时，喷嘴结构对推力的增大作用开始显现，渐变管推力大于直管，突变管推力最大.

2.2.2 平均推力

图6 平均推力随内径变化的曲线图

不同尺寸、结构燃烧室中推进剂燃烧产生的平均推力，如图6所示.由图6可以看出，在燃烧器结构一样的情况下，微推进器产生的平均推力随燃烧室内径的增大而减小，与最大推力随燃烧室内径变化趋势相似.当内径在3 mm～5 mm范围内时，三种结构燃烧室推进剂产生的平均推力比较接近，均维持在0.047～0.054 N之间.当内径变化到6 mm时，3种结构燃烧室内推进剂的最大推力都有较大幅度的减少，其中最小的是直管，推力值只有0.005 N.

内径在3 mm～5 mm范围内时，相同内径下，3种结构燃烧室中推进剂燃烧产生的平均推力变化不大.说明在此内径范围，燃烧器结构对平均推力影响不大.但是内径为6 mm时，突变管的最大推力最大，推力值约是直管4.6倍、渐变管的2.3倍.说明在内径6 mm时，突变喷嘴结构能显著提高平均推力.

2.2.3 冲量和比冲分析

将整个燃烧过程中的推力值对燃烧时间进行积分，得到推进剂燃烧过程中的冲量.得到冲量值后，除以推进剂的质量得到推进剂的比冲.经过计算，得出不同尺寸、不同结构燃烧室中推进剂燃烧产生的冲量和比冲值如表1所示.

表1 不同尺寸、不同结构燃烧室的冲量和比冲数据

1)冲量分析.

由表1可以看出，直管内推进剂产生的冲量随内径的增大而减小，并且当内径增大为6 mm时，冲量值有较大幅度的减小.渐变管内推进剂产生的冲量随内径的增大，先减小后增大，当内径增加到6 mm时，冲量值有较大幅度的减小.突变管内推进剂产生的冲量随内径的增大，先增大后减小，当内径增加到6 mm时，冲量值有较大幅度的减小.当内径在3～5 mm范围内，虽然3种结构燃烧室内推进剂产生的冲量随内径变化的变化规律不同，但是冲量值随内径变化的变化量不大，小于10%.这是因为冲量是推力对燃烧时间的积分，由前面分析可知，3种结构燃烧室内推进剂产生的最大推力和平均推力均随内径的增加而减小，而燃烧时间随内径的增加而增加，推力和燃烧时间的综合变化，导致冲量值随内径的增加产生波动，但变化量不大.但是内径为6 mm时，3种结构燃烧室内推进剂产生的最大推力和平均推力均有较大幅度的减小，故此内径下3种结构燃烧室内推进剂产生的冲量也均有较大幅度的减小.

对比不同燃烧室结构，内径在3 mm～5 mm范围内时，相同内径下，3种结构燃烧室中推进剂燃烧产生的冲量值有波动，但变化不大.说明在此内径范围，燃烧室结构对冲量影响不大.但内径为6 mm时，突变管的冲量值最大，约是直管4.1倍、渐变管的2.4倍.说明在内径6 mm时，突变喷嘴结构能显著提高冲量，这与平均推力变化规律相似.因为6 mm内径时3种结构燃烧室内推进剂产生的平均推力突变管最大，渐变管次之，直管最小，同时6 mm内径时3种结构燃烧室内推进剂的燃速接近，即燃烧时间接近，而冲量是推力对燃烧时间的积分，故6 mm内径的冲量值也是突变管最大，渐变管次之，直管最小.

2)比冲分析.

由表1可以看出，在燃烧器结构一样的情况下，微推进器产生的比冲随燃烧室内径的增大减小；而内径为6 mm时，比冲值都有较大幅度的减小.当内径在3 mm～5 mm范围内，3种结构燃烧室内推进剂产生的冲量虽然有波动，但变化量不大，而随着内径的增大，装药质量增大，故3种结构燃烧室比冲值随内径的增大而减小.而当内径增大到6 mm时，3种结构燃烧室的冲量值大幅减小，而装药质量进一步增加，故比冲有较大幅度的减小.

对比不同燃烧室结构，当内径相同时，比冲随燃烧室结构的变化与冲量随燃烧室结构变化相似，即内径在3 mm～5 mm范围内时，相同内径下，3种结构燃烧室中推进剂燃烧产生的比冲值有波动，但变化不大；当内径增大到6 mm时，突变管比冲最大，比冲值约是直管4.2倍、渐变管的2.3倍.因为内径相同时，3种结构的燃烧室装药质量相同，故对比不同燃烧室结构，比冲变化规律与冲量变化规律相似.

3 结束语

本文通过激光点火实验研究了燃烧室尺寸和结构变化对含硼推进剂点火燃烧和推进性能的影响.结果表明：当燃烧室内径增大时，推进剂容易点火且燃烧更充分；燃烧室内径减小时，推进剂的推进性能提升.喷嘴结构能小幅提高燃烧速度，直管的点火性能最优且燃烧最剧烈，而渐变管点火性能最差；在3～5 mm内径范围内，燃烧室结构对推进性能的影响不大，但在内径6 mm时，突变管的推进性能最佳.接下来将采取更精确的装药方式，进一步完善实验台设置，确保实验数据更加精准.另外，还可以考虑搭建真空实验台，模拟太空燃烧环境进行相关实验.

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Research on Ignition and Combustion Characteristics and Propulsion Performance of Boron-containing Propellants

LIU Huan1, LI Heping2, XU Jiangrong1, LIU Jianzhong2

(1.InstitutionofEnergy,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China; 2.StateKeyLaboratoryofCleanEnergyUtilization,ZhejiangUniversity,HangzhouZhejiang310027,China)

In order to study the ignition and combustion characteristics and propulsion performance of boron-containing propellant in the small-sized combustion chamber, a laser ignition test-bed was established and some small-sized combustion chambers with different size and structure were designed. The results show that: the large diameter is beneficial to ignition and combustion but has low combustion velocity, and the small diameter is helpful to improve the propulsion performance; the tube without nozzle has better ignition property and stronger burning intensity but a little lower combustion velocity than the tubes with nozzle, and the mutated tube has the best propulsion performance.

boron-containing propellant; laser ignition; burning rate; thrust; impulse

10.13954/j.cnki.hdu.2017.03.015

2016-10-17

浙江省自然科学基金资助项目(LQ14E060004)；科技集团公司航天科技创新基金资助项目(YF-2014-0106-wx)

刘欢(1985-)，男，湖北洪湖人，硕士研究生，高能燃料、微燃烧.通信作者：李和平讲师，E-mail:peacelee@hdu.edu.cn.

V512

A

1001-9146(2017)03-0073-06